CC BY
94
УДК 622.692.4
https://doi.org/10.24411/0131-4270-2019-10102
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОГО РАСХОДА ГАЗОВОЙ ФАЗЫ ПРИ ЗАПОЛНЕНИИ ТАНКЕРОВ
DETERMINATION OF THE VOC VAPOR RELATIVEFLOWRATE DURING TANKER LOADING OPERATIONS
М.Е. Дмитриев1, К.К. Садреева1, В.В. Пшенин2, М.Т. Гайсин2
1 Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия
E-mail: [email protected]
2 НТЦ ООО «НИИ Транснефть», 450055, г. Уфа, Россия ORCID: 0000-0003-4604-3172, E-mail: [email protected]
Резюме: В случае контролируемого отвода образующихся при наливе танкера паров летучих органических соединений (ЛОС) важно располагать адекватной моделью динамики изменения их объемного расхода за весь период погрузки. Это обусловлено тем, что объемный расход газовой фазы определяет выбор конструктивных параметров трубопроводной системы отвода паров и установок рекуперации паров (УРП). Подобное моделирование не только востребовано на этапе проектирования, но и способствует решению эксплуатационных задач оптимизации работы подобных систем. В работе доказано, что коэффициент превышения, который хорошо исследован в задачах истечения газовоздушной смеси из резервуаров и емкостей хранения, в задачах контролируемого отвода паров от танкеров, вследствие значительного влияния гидравлического сопротивления сети может быть как значительно больше единицы, так и меньше нее.
Ключевые слова: нефтяной танкер, испарение нефти, установки рекуперации паров, потери нефти.
Для цитирования: Дмитриев М.Е., Садреева К.К., Пшенин В.В., Гайсин М.Т. Определение относительного расхода газовой фазы при заполнении танкеров // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2019. № 1. С. 10-13.
D0I:10.24411/0131-4270-2019-10102
Michael E. Dmitriev1, Karina K. Sadreeva1, Vladimir V. Pshenin2, Marat T. Gaysin2
1 Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia
E-mail: [email protected]
2 STC The Pipeline Transport Institute (PTI, LLC), 450055, Ufa, Russia ORCID: 0000-0003-4604-3172, E-mail: [email protected]
Abstract: In case of controlled outflow of VOC vapors, which are formed during the tanker loading, it is important to have an adequate model of volumetric flow rate dynamics for the entire period of loading. It is so due to the volumetric flow rate of the gas phase determines the design parameters of the vapor pipeline system and vapor recovery units (VRU). Such modeling is in demand not only at the design stage, but also contributes to solving operational problems of optimizing such systems. Vapor growth factor, which is well studied in the problems of the outflow of a gas-air mixture from storage tanks, is proved to be much greater than 1 and can be less than 1, in case of controlled vapor outflow from tankers, due to the significant influence of the hydraulic resistance of the vapor pipeline.
Keywords: oil tanker, oil evaporation, vapor recovery units, oil losses.
For citation: Dmitriev M.E., Sadreeva K.K., Pshenin V.V., Gaysin M.T. DETERMINATION OF THE VOC VAPOR RELATIVEFLOWRATE DURING TANKER LOADING OPERATIONS. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2019, no. 1, pp. 10-13.
DOI:10.24411/0131-4270-2019-10102
Введение
Существенную важность при транспортировке нефти и нефтепродуктов морским путем имеют технологические операции налива танкеров. В процессе налива танкеров происходит эмиссия значительного количества летучих органических соединений (ЛОС). С целью минимизации негативного воздействия на окружающую среду, а также для возвращения в технологический процесс ценной углеводородной части ЛОС большинство современных
нефтеналивных морских терминалов оснащаются установками рекуперации паров (УРП). Одним из ключевых факторов, оказывающих влияние на выбор конструктивных параметров и типа УРП, является объемный расход газовой фазы, поступающий на УРП в ходе погрузки танкера. Объемный расход газовой фазы определяется совмещенным режимом работы системы «танкер - трубопровод газовой фазы - УРП». На рис. 1 представлена
I
Рис. 1. Принципиальная схема системы отвода газовой фазы из заполняемого танкера: 1 - танкер; 2 - трубопровод газовой фазы; 3 - запорно-регулирующая арматура; 4 - детонационный преградитель; 5 - установка рекуперации паров; 6 - свеча
2
3
4
3
5
6
Комплекс береговых и причальных сооружений
1
принципиальная схема системы отвода газовой фазы из заполняемого танкера.
Моделирование истечения газовой фазы из наполняемого танкера
В работе [1] установлено, что процесс истечения газовой фазы из танкера характеризуется следующими основными безразмерными комплексами: у - относительное давление газовой фазы; у - параметр, учитывающий вклад испарения в массовый баланс системы; 0 - параметр, характеризующий вклад гидравлического сопротивления отводящей сети в общую динамику изменения давления; т - характерное время закачки. Перечисленные выше комплексы сформулированы в следующем виде:
Р
V = У; Р
^к
¿^и-г Qз - Рк
= у;
Q3
S^/RT t
= 0;
(1)
(2)
(3)
(4)
формулируется в виде Х-2 >> 1п следующим образом:
G,
гвс
S'JP2
Р 2
л/ИТ-А-
определяется
(6)
-эф_
О
Объемный расход газовой фазы в конечной точке отводящей системы определим исходя из соотношения массового расхода и плотности газовоздушной смеси (ГВС):
S'^jP
Р 2
Q|
ГВС
. GГВС
Ргвс
л/ИТ-А-
-эф
О
и-т
(7)
Х-
-эф
О
S^/RT
С использованием выражения (6) получаем окончательное выражение для коэффициента превышения, записанное с использованием безразмерных параметров (1) и (3):
К =
Q,
ГВС
Л2
1
Q3
0
(8)
где Р - давление в газовом пространстве танкера, Па; Рк -конечное давление в сети, отводящей газовую фазу, Па; и - интенсивность массоотдачи с поверхности испарения, кг/(м2-ч); F- площадь поверхности испарения, м2; Я - индивидуальная газовая постоянная, Дж/(кг-К); Т - температура газовоздушной смеси
нефти в танкер, м3/ч; Э ■ газовой фазы, м2; L
эф
К; 03 - объемный расход закачки площадь сечения трубопровода эффективная длина трубопровода газовой фазы с учетом всех местных сопротивлений, м; D - диаметр трубопровода газовой фазы, м; Х - коэффициент гидравлического сопротивления, безразмерный; т - характерное время закачки, равное отношению текущего времени, прошедшего от начала налива t, к полному времени закачки тзак, безразмерное.
В результате использования приведенных выше безразмерных комплексов на основе обобщенного уравнения состояния в дифференциальной форме в работе [1] получено дифференциальное уравнение, описывающее характер изменения давления в газовом пространстве танкера за время погрузки:
Исследуем численно полученное выражение (8) для коэффициента превышения. В табл. 1 представлены значения коэффициента превышения в зависимости от величин безразмерных комплексов у (отношение давления в газовом пространстве заполняемой емкости к давлению в конечной точке отводящей сети) и 0 (безразмерный комплекс, характеризующий вклад сопротивления сети в динамику изменения давления внутри заполняемой емкости).
Исходя из данных, представленных в табл. 1, можно сделать вывод, что коэффициент превышения не всегда больше 1, то есть явление превышения расхода отводимой газовой фазы над расходом закачки наблюдается не всегда. Это объясняется следующим образом. Исторически сложилось представление о коэффициенте превышения на основе решения задач, связанных с испарением нефти и нефтепродуктов при заполнении резервуаров [2-7]. В случае резервуаров гидравлическое сопротивление отводящей сети пренебрежимо мало, поэтому этап
Таблица 1
Значения коэффициента превышения в зависимости от величин безразмерных комплексов у и 0
^ /ч \ 4У -1
— - (1 -т) = У + у-—-
(5)
Данное уравнение было решено численным методом в работе [1]. Среднеквадратичная погрешность расчетов по уравнению (5) на примере реальных данных погрузок танкера составила 1200 Па.
Массовый расход газовой фазы через отводящий трубопровод в случае его достаточной протяженности при условии, которое
-а 1 1,01 1,02 1,03 1,04 1,05 1,06 1,07 1,08 1,09 1,1
0,1 0 1,42 2,01 2,47 2,86 3,20 3,52 3,81 4,08 4,34 4,58
0,15 0 0,95 1,34 1,65 1,90 2,13 2,34 2,54 2,72 2,89 3,06
0,2 0 0,71 1,00 1,23 1,43 1,60 1,76 1,90 2,04 2,17 2,29
0,25 0 0,57 0,80 0,99 1,14 1,28 1,41 1,52 1,63 1,73 1,83
0,3 0 0,47 0,67 0,82 0,95 1,07 1,17 1,27 1,36 1,45 1,53
0,35 0 0,41 0,57 0,71 0,82 0,91 1,00 1,09 1,17 1,24 1,31
0,4 0 0,35 0,50 0,62 0,71 0,80 0,88 0,95 1,02 1,08 1,15
0,45 0 0,32 0,45 0,55 0,63 0,71 0,78 0,85 0,91 0,96 1,02
0,5 0 0,28 0,40 0,49 0,57 0,64 0,70 0,76 0,82 0,87 0,92
т
т
напрессовки газового пространства практически отсутствует. Однако в случае налива танкеров или железнодорожных цистерн гидравлическое сопротивление отводящей сети может составлять существенную величину. В этом случае в первоначальный этап заполнения подобных транспортных емкостей до тех пор, пока внутреннее давление в газовом пространстве не преодолеет сопротивление отводящей сети, наблюдается сжатие газовой фазы. Расход истечения в этом случае меньше расхода закачки, а следовательно, и значение коэффициента превышения меньше единицы. В связи с этим предлагается для корректности формулировок впредь коэффициент превышения именовать коэффициентом относительного расхода газовой фазы или, сокращенно, относительным расходом газовой фазы. Старое наименование предлагается сохранить в использовании лишь при решении задач, связанных с заполнением резервуаров [2-7].
По данным табл. 1 построена поверхность значений коэффициента относительного расхода в зависимости от соответствующих величин безразмерных комплексов у и 0.
Из рис. 2 следует, что этап напрессовки газового пространства танкера связан с высокими величинами гидравлического сопротивления отводящей сети (безразмерный комплекс 0) и малым относительным давлением в системе (безразмерный комплекс у). Напротив, высокие значения коэффициента относительного расхода характерны для низких значений гидравлического сопротивления отводящей сети и высоких значений относительного давления.
|Рис. 2. График зависимости коэффициента относительного расхода К от безразмерных комплексов у и 0
|Рис. 3. Сопоставление экспериментальных данных по объемному расходу ГВС с расчетными значениями по уравнению (8)
25000
21000
§ 17000
'5 13000
9000
5000
0,40
Оценка результатов моделирования
Приведем численный пример. Требуется оценить мгновенное значение коэффициента относительного расхода в момент, когда давление в танках составляет 109 015 Па, давление в конце трубопровода газовой фазы составляет 103 598 Па. Из данных эксплуатации известно, что оценочное значение безразмерного комплекса 0 для данного режима погрузки составляет 0,14. Вычислим по формуле (1) вели чину безразмерного комплекса у:
109015
0,50
0,60 0,70 0,80
Безразмерное время налива т
0,90
1,00
экспериментальные данные
-расчетные значения
У - — =
Рк 103598
- = 1,052.
(9)
По формуле (8) вычислим коэффициент относительного расхода:
К -
4У2 -1 _ У(1,052)2-
1
0
0,14
= 2,333.
(10)
Таким образом, для расхода закачки Q3 = 10 000 м3/ч, получаем расход газовой фазы в конце отводящего трубопровода QГВС = 23 330 м3/ч. Расход газовой фазы, определенный на основании показаний трубки Пито, составил
23 162 м3/ч. Относительная погрешность в представленном примере составляет 0,7%. На рис. 3 представлено графическое сопоставление экспериментальных данных по объемному расходу ГВС с расчетными значениями по уравнению (8) на примере погрузки одного танкера.
Выводы
В результате проведенных исследований процесса истечения ГВС из танкера в ходе погрузки определен относительный расход газовой фазы. Полученные численные оценки могут быть использованы как при расчетах существующих трубопроводов отвода газовой фазы и УРП, так и при проектировании новых объектов, на которых особое значение имеет комплексное обеспечение экологической безопасности [8, 9].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пшенин В.В., Гайсин М.Т. Моделирование газодинамических процессов при наливе танкеров // Горный информационно-аналитический бюллетень (науч.-техн. журн.). 2017. № 28. С. 3-12.
2. Бронштейн И.С., Новоселов В.Ф., Блинов И.Г., Ривкин П.Р. К определению коэффициентов превышения объема выходящей из резервуара паровоздушной смеси над объемом закачанной нефти // Технология перекачки нефти, предотвращение потерь, автоматизированная система управления нефтепроводным транспортом: Сб. науч. Тр. ВНИИСПТнефть. 1985. С. 75-79.
3. Апресов К.А. Потери нефти от испарения в резервуарах и меры для их уменьшения // Азербайджанское нефтяное хозяйство. 1932. № 8-9. С. 35-47.
4. Березин В.Л., Гумеров А.Г., Ясин Э.М. Экспериментальное определение количества газовоздушной смеси при заполнении резервуара // Проектирование, строительство и эксплуатация газонефтепроводов и нефтебаз. 1969. С. 305-308.
5. Фатхиев Н.М., Мамонтов Г.В., Танцман И.Е. Экспериментальное определение расхода паровоздушной смеси и воздуха через дыхательный клапан резервуара // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 1970. № 11. С. 16-18.
6. Блинов И.Г. Методы сокращения потерь газосодержащей нефти из резервуаров перекачивающих станций нефтепроводов: дис. канд. техн. наук. Уфа, 1985. 189 с.
7. Коршак А.А., Бусыгин Г.Н., Галяутдинов А.Б. О расходах через дыхательную арматуру резервуаров при «больших дыханиях» // Транспорт и хранение нефтепродуктов. 1995. № 7. С. 11-12.
8. Давлетяров Р.Р., Лапина О.А., Половков С.А. Обеспечение экологической безопасности в районе нефтеналивного терминала порта Приморск // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2015. № 2. С. 84-87.
9. Вакаев А.Ю., Росляков Д.А., Киняшов М.А. Анализ современного состояния и перспектив реконструкции наливных пунктов московского региона ОАО «АК «Транснефть» // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2014. № 3 (15). С. 80-85.
1. Pshenin V.V., Gaysin M.T. Simulation of gas-dynamic processes when loading tankers. Gomyy informatsionno-analiticheskiy byulleten', 2017, no. 28, pp. 3-12 (In Russian).
2. Bronshteyn I.S., Novoselov V.F., Blinov I.G., Rivkin P.R. K opredeleniyu koeffitsiyentov prevysheniya ob»yema vykhodyashchey iz rezervuara parovozdushnoy smesi nad ob»yemom zakachannoy nefti [To the determination of the coefficients of exceeding the volume of the vapor-air mixture leaving the tank over the volume of pumped oil]. Trudy VNIISPTneft': Tekhnologiya perekachki nefti, predotvrashcheniye poter', avtomatizirovannaya sistema upravleniya nefteprovodnym transportom [Proc. of VNIISPTneft: Oil transfer technology, loss prevention, automated control system of oil pipeline transport]. 1985, pp. 75-79.
3. Apresov K.A. Loss of oil from evaporation in reservoirs and measures to reduce them. Azerbaydzhanskoye neftyanoye khozyaystvo, 1932, no. 8-9, pp. 35-47 (In Russian).
4. Berezin V.L., Gumerov A.G., Yasin E.M. Experimental determination of the amount of gas-air mixture when filling the tank. Proyektirovaniye, stroitel'stvo i ekspluatatsiya gazonefteprovodov i neftebaz, 1969, pp. 305-308 (In Russian).
5. Fatkhiyev N.M., Mamontov G.V., Tantsman I.Ye. Experimental determination of steam-air mixture consumption and air through the breather valve of a reservoir. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 1970, no. 11, pp. 16-18 (In Russian).
6. Blinov I.G. Metody sokrashcheniya poter' gazosoderzhashchey nefti iz rezervuarov perekachivayushchikh stantsiy nefteprovodov. Diss. kand. tekhn. nauk [Methods to reduce the loss of gas-containing oil from the reservoirs of pumping stations of oil pipelines. Cand. tech. sci. diss.]. Ufa, 1985. 189 p.
7. Korshak A.A., Busygin G.N., Galyautdinov A.B. On costs through the respiratory armature of tanks with "big breaths". Transport i khraneniye nefteproduktov, 1995, no. 7. pp. 11-12 (In Russian).
8. Davletyarov R.R., Lapina O.A., Polovkov S.A. Ensuring environmental safety in the area of the oil terminal of the Port of Primorsk. Nauka i tekhnologii truboprovodnogo transporta neftii nefteproduktov, 2015, no. 2, pp. 84-87 (In Russian).
9. Vakayev A.YU., Roslyakov D.A., Kinyashov M.A. Analysis of the current state and prospects for the reconstruction of the filling points of the Moscow region of JSC "AK "Transneft". Nauka i tekhnologii truboprovodnogo transporta nefti i nefteproduktov, 2014, no. 3 (15), pp. 80-85 (In Russian).
Садреева Карина Каримовна, бакалавр, Уфимский государственный Karina K. Sadreeva, Bachelor, Ufa State Petroleum Technological
REFERENCES
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Дмитриев Михаил Евгеньевич, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Michael E. Dmitriev, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
нефтяной технический университет.
University.
Vladimir V. Pshenin, Researcher of the Laboratory of Ecology and the Development of Resource-saving Technologies, STC The Pipeline Transport Institute (PTI, LLC).
Marat T. Gaysin, Deputy Head of the Laboratory of Ecology and the Development of Resource-saving Technologies, STC The Pipeline Transport Institute (PTI, LLC).
Пшенин Владимир Викторович, н.с. лаборатории экологии и разработки ресурсосберегающих технологий, НТЦ ООО «НИИ Транснефть».
Гайсин Марат Тагирович, зам. завлабораторией экологии и
разработки ресурсосберегающих технологий, НТЦ ООО «НИИ Транснефть».
